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    磁翻板液位計閥座和閥體間密封結構設計與低溫計算

    磁翻板液位計閥座和閥體間密封結構設計與低溫計算

    時間:2019-11-13 14:00:20
    【摘  要】基于現有磁翻板液位計常見結構密封泄漏的分析,進行了一種磁翻板液位計閥座和閥體間密封結構設計,給出了磁翻板液位計一些必要的計算內容。
    一、前言
    近幾年隨著國民生活水平的提高,液化天然氣(LNG)被廣泛應用,所需要的超低溫專用閥門的要求也逐漸提高。磁翻板液位計采用上裝式結構,密封材料選用非金屬,常用公稱尺寸NPS 1/2~24(DN 15~600),壓力等級Class150~1 500。
    由于工況條件特殊,屬于超低溫狀態,因此磁翻板液位計需經合格結構設計,并基于低溫狀態裝配間隙和螺栓緊固力矩計算,才能保證其具有良好的性能。磁翻板液位計主要應用于液化天然氣和空分行業的裝置上,輸出的液態介質有:液化天然氣、液氧、液氫、液化乙烯、液氮以及液化石油氣等。其中部分介質不但易燃易爆,且容易發生氣化,氣化時體積急劇膨脹,并促使壓力急劇上升,如果閥門結構設計不合理,則會造成中腔積壓,從而導致承壓邊界失效,甚至閥門開裂爆炸,造成嚴重傷亡事故。
    二、現有閥座和閥體密封結構
    1.波紋管密封結構
    國外某公司的磁翻板液位計產品(見圖1)的閥座和閥體間密封采用波紋管式加纏繞墊組合密封結構(見圖2),閥座、波紋管和螺紋座三者進行密封焊連接,形成波紋管閥座組件。此組件無任何泄漏產生點,螺紋座與閥體通過螺紋連接,螺紋座后設有密封墊片,密封墊片通過螺紋緊固并達到密封墊片所需的密封比壓;波紋管閥座組件上設有波紋管防旋轉機構,并通過螺紋連接的方式連接在閥體上,保證了波紋管在組件旋轉過程中與另外兩個部件相對靜止,不會因此而產生波紋管扭矩,并易于進行拆卸。
    波紋管機械密封#顯著的特點就是浮動性好,因而對管道的振動及球閥起閉過程中不會產生偏擺,密封性能可靠。此種結構在中低壓工況經過長期使用,證明了其在超低溫下的高可靠性,并具有良好的密封效果,但因為受波紋管特性及制造工藝水平影響,波紋管在大口徑閥門中使用效果不佳,波紋管密封球閥#大規格僅能做到NPS 6 Class 1 500磅級,但在LNG接收站部分站點所需閥門口徑達到NPS 14以上,因此這種結構無法滿足大口徑磁翻板液位計的要求。同時在高壓工況下,螺紋座背部密封墊片會出現密封比壓不足的情況,同時因為依靠螺紋旋緊壓縮纏繞墊,纏繞墊表面容易因摩擦而破壞,形成泄漏通道,造成閥門泄漏,影響LNG管道的正常運行。
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    2.泛塞密封結構
    國外某公司的磁翻板液位計閥座與閥體間采用泛塞結構進行密封(見圖3),也是目前市場運用#廣的一種閥體閥座密封結構。在閥體和閥座間安裝有泛塞,泛塞由唇形密封圈加彈簧組成,彈簧安裝于唇口凹槽內,開口朝向高壓側,此種結構對閥座和閥體接觸表面加工要求極高,必須依據其泛塞尺寸進行加工設計,表面粗糙度高且配合間隙需達到過盈效果。在安裝時必須依靠外置工裝來實現,拆裝難度較大。由于是上裝式結構,為使球體能順利裝入閥體內,閥座必須設置一定的退讓空間,安裝時泛塞會在此空間內產生位移,容易因此而產生磨損導致密封失效。同時此退讓空間內易存在一定的水、空氣,在低溫下空間內容易結冰,導致閥座卡澀,影響閥門的密封效果。且通過經過多次試驗驗證,當介質壓力逐漸升高時,由于泛塞金屬表面僅能提供一道金屬密封,介質會通過泛塞逐漸泄漏于中腔中。在長期使用過程中,由于是浮動式閥座結構,泛塞易在空間腔體內發生滑移,造成密封表面磨損,存在潛在的內漏風險,密封具有不確定性。
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    三、彈簧加載多級迷宮密封結構
    鑒于波紋管式密封結構和泛塞密封結構都存在潛在的泄漏風險,從某LNG接收站了解到,上述兩種結構的閥門在實際使用過程中效果不甚理想,都存在內漏現象及超標,F開發出一種彈簧加載多級迷宮密封結構(見圖4),將原來的泛塞進行了性能改良,安裝于閥體與閥座之間,此種結構包括支撐塊、V形彈簧、三組唇形密封圈和密封座。其中三組唇形密封圈分為上密封圈、中密封圈和下密封圈,中密封圈尾部固定于下密封圈開口,上密封圈尾部固定于中密封開口,三組唇形密封圈收尾相接安裝于密封座上,形成一個整體。V形彈簧安裝于上密封圈開口溝槽內,支撐塊卡在V形彈簧上,V形彈簧可以提供一個穩定的彈力給唇形密封圈,在彈力作用下使其上下唇面緊壓于金屬表面。這種密封結構安裝于磁翻板液位計閥座與閥體徑向密封處,唇形密封組件開口朝向高壓側,使得壓力可以張緊密封唇口,同時補充了彈簧力,增加了唇口與金屬表面的接觸壓力。
    唇形密封圈采用在低溫下耐收縮性能強的材質制造,如改性聚四氟乙烯。此結構與閥體金屬表面共能形成三道迷宮密封,且介質壓力越高,所能提供的密封能力越強,消除了泄漏的可能性,即使因長期使用過程中地衣道密封產生失效,介質逐漸從地衣道密封滲透到第二道密封中,由于迷宮效應,后續壓力逐漸減小,第二、第三道密封仍可在介質壓力作用下與金屬表面形成良好的密封,大大增強了磁翻板液位計在超低溫工況下的密封性能。
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    四、低溫計算
    在超低溫工況下,閥門材料會因為熱脹冷縮而發生一定形變,導致閥門內部零部件尺寸發生變化,同時包括螺栓預緊力、閥桿扭轉角和彈簧剛度等,下面將重點介紹基于超低溫工況的幾種計算方法。
    1.閥桿與軸承間隙
    超低溫上裝式球閥的閥桿與閥蓋之間設有滑動軸承,軸承起到支撐閥桿、防止閥桿發生徑向偏移的作用。當閥門處于超低溫環境中時,因冷縮現象將導致閥桿與軸承配合尺寸縮短,導致閥桿卡澀,因此需對閥桿和軸承之間的配合間隙進行低溫差修正計算。設計圖樣標注的尺寸偏差與配合是以常溫20℃為基準的。超低溫閥門其閥桿和滑動軸承之間的間隙低溫修正計算公式為
    企業微信截圖_20191113141815.jpg企業微信截圖_20191113141825.jpg
    式(1)和式(2)中,負號用在溫度提高孔的尺寸擴大的情況下,正號用在溫度提高孔的尺寸縮小的情況下。
    2.螺栓預緊力
    閥體閥蓋間連接螺栓是在常溫下進行裝配和緊固,當閥門處于超低溫環境中時,緊固螺栓、螺母、墊片等零部件會發生收縮現象,由于各不同材質零部件的線膨脹系數不相同,其收縮量也會產生差異,螺栓有可能會發生松弛,導致閥門外漏情況嚴重。所以,在常溫下緊固螺栓時,必須考慮其在低溫下的影響。常溫時螺栓預緊力由補償溫差所需的預緊力F 1 、克服內壓所需要的預緊力F 2 和閥門工作時保證密封墊正常工作所需的預緊力F 3 組成。
    企業微信截圖_20191113141834.jpg企業微信截圖_20191113141848.jpg
    3.加長閥桿扭轉角
    磁翻板液位計閥蓋需進行加長設計,以使閥門上部填料和操作機構院秒閥體內的低溫介質。加長閥蓋應足夠長以提供絕緣氣柱,防止填料區域和操作機構凍結,閥桿也需要進行加長設計。在球閥進行四分之一回轉運動時,加長閥桿會形成一定扭轉角,需要對扭轉角數值進行計算驗證,以確定加長閥桿比例,在扭轉載荷下,閥桿扭矩受閥桿扭轉角的限制,因此也就受到了閥桿材料的臨界剪切應力的限制。應如此設定閥桿直徑和閥桿長度的比例。按照MSS-SP 134標準
    4.6.4節規定,球閥閥桿長度和閥桿直徑相結合使閥桿偏轉角或扭轉角限制為π/90弧度(2°),扭轉角根據下列等式確定。
    企業微信截圖_20191113141858.jpg
    5.密封面計算
    物體會由于溫度改變而發生脹縮現象,單位溫度變化所導致的物體長度變化常用線膨脹系數所示,在超低溫工況下,閥座密封圈會出現收縮,如仍按照常溫設計計算結果給定密封面寬度,會因為密封面收縮而導致低溫泄漏,因此在密封面設計計算時,需根據材料線膨脹系數給密封圈高度、密封面寬度一定的收縮裕量。
    五、結語
    彈簧加載多級迷宮密封結構磁翻板液位計密封性能遠優于波紋管密封結構和泛塞密封結構磁翻板液位計,在超低溫工況下具有高可靠性,且不會受閥門壓力和口徑影響。磁翻板液位計在設計時,在滿足相關標準要求前提下,還必須依據實際工況條件進行合理的結構設計,應對關鍵零部件在低溫狀態下配合的間隙以及螺栓的緊固力矩進行計算,以保證閥門在超低溫下工作時不出現卡阻現象,同時螺栓預緊力必須滿足墊片在低溫狀態下的密封比壓要求,從而保證磁翻板液位計在超低溫環境中的安全、穩定運行。
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